CN107632058A - 一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器，由一次仪表和二次仪表组成；一次仪表主要由漩涡发生体、磁钢、金属管道和电极组成；液态金属钠流经漩涡发生体后会形成规律的漩涡，沿管道方向运动的漩涡切割位于漩涡发生体下游的恒定磁场会产生近似正弦波形式的输出信号，其频率和幅值均与液态金属钠的流速有关，而且频率是流速的线性函数；二次仪表对放大和滤波后的信号进行处理，利用频谱变换的方法求出信号的频率，并根据频率计算出一个信号周期的数据长度，取最新的相邻两个长度等于一个信号周期长度的数据，计算相关系数，对多个计算出的相关系数进行滤波和平均，与阈值进行比较，判断蒸汽发生器是否发生了泄漏。

Description

一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，特别是涉及一种基于相关系数计算来监测液态金属中是否含有气泡的钠中气泡噪声探测器。

背景技术

随着世界范围的能源供应日趋紧张，以及人们对全球变暖和可持续发展等问题的日益关注，核能必将在未来世界的发展中发挥举足轻重的作用。但是，核能具有放射性的特性，所以，核工业安全问题不容小觑。我国核能压水堆、快堆、聚变堆三步走发展战略中，快堆是其中重要的一步。与压水堆相比，快堆可以将燃料利用率大大提高。主流的快堆系统一般采用液态金属钠作为冷却剂，这是因为液态金属钠具有良好的传热性和流动性，高沸点、低熔点、泵送功率低，对热和辐射有良好的稳定性，在反应堆系统下不产生腐蚀，感生放射性低，中子俘获截面小等特点。但是，钠异常活泼，遇水即发生剧烈的化学反应，且会伴随着明火，极易发生爆炸。在反应堆中，水与冷却剂钠之间的换热设备为蒸汽发生器。在蒸汽发生器中，冷却剂钠在传热管外流动，水在传热管内流动，冷却剂钠把水加热成高温水蒸气推动汽轮机发电。由于水蒸气侧压力高，如果传热管壁出现漏洞或裂缝，水就会冲入冷却剂钠中，导致钠水反应的发生。钠水反应将产生大量的氢气和热量，反应所产生的氢气会严重影响钠的流动，导致蒸汽发生器内的压力急剧上升，高压会引起蒸汽发生器爆炸，产生严重的核安全事故。造成蒸汽发生器内传热管出现漏洞或裂缝的原因有：温度脉动引起的疲劳、焊接质量、传热管腐蚀泄漏和传热管应力变化等。

鉴于钠水反应后果的严重性，国外主要采用探测仪表实时监测冷却剂钠中是否有气泡，以便及时发出报警信号，避免更为严重的事故发生。而国内快堆起步较晚，需要购买昂贵的国外探测仪表，用来保证核反应堆安全、可靠地运行。因此，研制具有自主知识产权的钠水反应探测仪表(又称钠中气泡噪声探测器)对我国核电技术的发展具有重要的意义。

发明内容

钠中气泡噪声探测器是蒸汽发生器事故保护系统的监测仪表之一，通过监测蒸汽发生器内气泡(氢气)体积份额的变化，判断蒸汽发生器内部是否出现泄漏。当由测量信号计算出的结果小于报警阈值时，产生蒸汽发生器泄漏报警信号；同时，钠中气泡噪声探测器具有测量所在管道液态金属钠流速的功能。国外研究的钠中气泡监测方法有基于测量冷却剂的导电率法、超声波法、伽马探测管道法和涡流探测法。其中，基于测量冷却剂导电率法的敏感度低，且只能给出被测管段整体的含气量信息；超声波法和伽马探测管道法在技术上非常复杂，所以使用的极少；涡流探测法灵敏度较高，相对简单易行。

为了能实时、有效地监测冷却剂钠中是否含有气泡，本发明提供一种属于涡流探测法的、基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器。

本发明的技术方案是：基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器主要由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表输出的信号既有直流信号成分，又有交流信号成分。其中，交流信号的轮廓近似为正弦波；直流信号的幅值远大于交流信号的幅值。通过分析和处理交流信号成分，来判断蒸汽发生器是否发生了泄漏。由于一次仪表输出的交流信号幅值仅约为数十微伏，因此，采用多级放大和多级滤波的调理电路结构，有效地提取出与流速相关的微弱信号，以满足后续处理电路的要求。为了防止信号在放大的环节出现饱和现象，采用两级交流放大电路和去直流电路，以便提取交流信号成分。为了保证安全，蒸汽发生器安装的位置离变送器所在的控制室非常远，因此，在调理电路中加入了隔离放大电路，防止接地环路过长而耦合环境中的噪声。一次仪表输出信号中的交流信号成分是幅值和频率均与液态金属钠流速相关的近似正弦波信号，且频率是流速的线性函数。因此，可以通过计算调理电路输出信号的频率来得到液态金属钠的流速。反应堆内的钠循环泵主要工作在额定转速状态，因此，冷却剂钠的流速变化范围非常小。通过分析和对比经调理电路输出的信号发现：当液态金属钠中无气泡时，一次仪表输出信号中的交流成分是非常规律且频率单一的近似正弦波信号；当液态金属钠中混入气泡经过电极时，会使一次仪表输出信号发生畸变。所谓的畸变是信号不再是近似的正弦波，而是类似于随机信号。因此，根据信号的特点，采用相关系数的方法对一次仪表输出的信号进行处理，判断蒸汽发生器是否出现了泄漏。基于相关系数方法的信号处理过程为：取固定长度点数的信号做快速傅里叶变换(FFT)，把信号从时域转换到频域；搜索频域中最大幅值点所对应的频率，计算出液态金属钠的流速；根据信号频率，确定做相关系数计算需要的数据长度L；取相邻最新两个长度为L的数据，计算出相关系数。钠中气泡噪声探测器对实时性要求较高，且每一个相关系数的计算都需要较多的数据，因此，采用数字信号处理器(DSP)芯片TMS320F28335作为二次仪表的主控芯片。TMS320F28335DSP具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA(直接存储器存取)通道支持A/D(模/数转换)和McBSP(多通道缓冲串口)，其浮点运算单元让用户可以快速编写控制算法而无需在小数操作上耗费过多的时间和精力，从而简化软件开发，缩短开发周期。

附图说明

图1是基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器中一次仪表结构组成示意图。

图2是基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器中二次仪表硬件组成框图。

图3是隔离放大电路。

图4是第一级交流放大电路。

图5是八阶低通滤波电路。

图6是二次仪表的软件组成框图。

图7是二次仪表的主监控程序流程图。

图8是基于相关系数计算方法的信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的设计思想是：在一次仪表中，液态金属钠流经漩涡发生体后会形成有规律的漩涡。沿管道方向运动的漩涡切割位于漩涡发生体下游的恒定磁场时，会产生近似正弦波形式的输出信号，其频率和幅值均与液态金属钠的流速有关，而且频率是流速的线性函数。当流动的液态金属钠中含有气泡时，一次仪表输出信号中的交流信号不再是近似正弦波形式的信号，而会发生畸变，这也是判断蒸汽发生器是否出现泄漏的依据。二次仪表对一次仪表输出信号中的交流信号进行放大、滤波和转换，并采用计算相关系数的信号处理方法，识别出流动的液态金属钠中是否含有气泡。

当纯液态金属钠流过一次仪表时，一次仪表输出的近似正弦波形式的信号为S＝A*sin(2πft+θ)，其中，f表示近似正弦波信号的频率，A表示频率为f的近似正弦波信号的幅值，θ表示相位信息。为了便于说明问题，仅取一个完整的周期进行说明。显然，信号在0～1/4周期和1/2～3/4周期的变化趋势均是上升的，在1/4～1/2周期和3/4到1周期的变化趋势均是下降的，非常规律。因此，可以知道当液态金属钠中不存在气泡时，相邻的两个周期信号的变化趋势是完全一致的。一般在蒸汽发生器泄漏的初期，泄漏量比较小，且气泡也不能均匀地经过电极，每一次畸变的信号仅持续一到两个信号周期的时间，且在多数时间内，信号仍以近似正弦波的形式出现。畸变的信号变化趋势是无规律的，不但与近似正弦波信号变化趋势不同，其本身变化趋势也是随机的。因此，可以通过计算相邻两个数据长度等于一个周期的信号的相关系数来反映信号的畸变，以监测蒸汽发生器是否出现了泄漏。因为相关系数可以反映两组数据的变化趋势是否相同，因此，非常适合处理气泡噪声探测器一次仪表输出的信号。当两组信号变化趋势完全相同时，计算出的相关系数就接近于1；当两组信号变化趋势完全相异时，计算出的相关系数会接近于-1。在计算相关系数时，需要做到正周期且同相位取点，防止因取点不当而导致计算结果有误。

图1是一次仪表的结构组成示意图，主要由漩涡发生体、磁钢、金属管道和电极组成。漩涡发生体的形状采用普通涡街流量计所用的梯柱体型结构，处于磁场上游，位于磁场之外。由于液态金属钠温度高、化学性质活泼且大多数应用领域处于高辐射环境，所以，一次仪表的管道部分采用金属材料。磁钢主要由永磁体和磁轭组成，其中，永磁体为一次仪表提供稳定的磁场；磁轭起固定作用，同时，还可以减少漏磁。电极分为参考电极和工作电极，其中，参考电极位于漩涡发生体上游的磁场外，是一次仪表输出信号的参考点；工作电极位于磁场内，与参考电极配合工作，输出沿管道方向运动的漩涡切割磁场时产生的近似正弦波信号。电极的轴线、液态金属钠的流向和磁场方向两两垂直；漩涡发生体的轴线与磁场方向平行。

图2是二次仪表硬件组成框图，主要由信号调理采集模块和数字信号处理与控制模块组成。其中，信号调理采集模块主要由隔离放大电路、第一级交流放大电路、八阶低通滤波电路、第二级交流放大电路、去直流电路、A/D(模/数转换)采样电路和无源晶振电路模块组成，对一次仪表输出的信号进行放大、滤波、模/数转换和数据传输。隔离放大电路减小接地环路耦合的噪声。第一级交流放大电路和第二级交流放大电路仅放大前级电路输出信号中的交流成分。八阶低通滤波电路衰减高频噪声，保留有用的近似正弦波信号。A/D采样电路把去直流电路输出的模拟信号转换成数字信号，并通过DSP(数字信号处理器)的多通道缓冲串口(McBSP)传送给数字信号处理与控制模块中的DSP芯片。A/D采样电路使用的A/D芯片是一款24位Σ-Δ型A/D，采样速率可调，内部集成了低噪声可编程增益放大器和可编程数字滤波器，支持单端信号采集和差分信号采集，支持SPI通讯，由无源晶振电路提供时钟信号。数字信号处理与控制模块主要由主控芯片TMS320F28335、外扩静态随机存储器(SRAM)、铁电存储器、电源掉电监测、人机接口、RS485电路、脉冲输出电路和4～20mA输出电路等电路模块组成。为了能实时对数据进行处理，选用高速的数字信号处理器(DSP)作为主控芯片。由于DSP一次处理的数据长度非常大，因此，需要外扩SRAM存储更多的数据和变量。铁电存储器是在发生意外掉电时对重要的数据信息进行存储，并在重新上电时恢复重要的数据信息。人机接口主要包括液晶和按键，其中，液晶显示处理结果，并与按键配合进行参数设置。RS485电路可以把采集的数据发送至上位机，使工作人员在调试时可以清楚地看到信号波形，方便信号的保存。脉冲输出电路和4～20mA电流输出电路可以传送流量信号。

图3是隔离放大电路，由隔离运放U1、电阻R1～R5、电容C1、C2和C4组成，对一次仪表输出的信号进行放大。隔离运放U1是变压器型隔离器件，隔离电压可以高达2000V。隔离放大电路的放大倍数是由电阻R4和R5决定的，等于1+R4/R5。隔离放大电路可以使接线更加灵活，不必严格区分两个输入端。

图4是第一级交流放大电路，主要由运放U2、电阻R6～R9、电容C3和电容C5组成，对隔离放电电路输出信号中的交流成分进行放大。运放U2选用的是OP07，不但可以满足各项性能指标，而且功耗小、价格低。电容C3是钽电容，起到隔直通交的作用。交流信号放大的倍数由电阻R6和R7决定，等于-R7/R6。电阻R8和R9为运放U2的正相输入端提供一个偏置电压，防止信号出现失真。电容C5的容值较小，用于改变反馈网络的相移，补偿运放相位滞后，使放大电路工作更稳定。第二级交流放大电路和第一级交流放大电路的电路结构相同。

图5是八阶低通滤波电路，主要由集成芯片U3、电阻R10～R12、电阻R14、滑动变阻器R13和电容C6～C8组成。集成芯片U3是一种使用十分方便、八阶低通椭圆型、开关电容滤波器。电阻R10和R11为输入信号提供基准，扩大信号输入范围。电容C8用于设置八阶低通滤波器的截止频率。八阶低通滤波电路的输出端通过滑动变阻器R13输出，可以方便地调节输出信号的幅值。

图6是二次仪表的软件组成框图。软件设计采用模块化的设计方案，将完成特定功能的程序封装成一个个功能模块，便于系统的设计和维护。根据模块化的设计思想，二次仪表的主要软件模块有：主监控程序、初始化模块、看门狗模块、算法模块、人机接口模块、中断模块。主监控程序统一调用和协调各个模块，使二次仪表的软件系统实现正常有序的工作。初始化模块包括DSP系统初始化、GPIO初始化、外设初始化和算法初始化。初始化模块对DSP芯片及其GPIO和片内外设进行配置，并初始化程序中用到的参数变量。看门狗模块对主监控程序进行监控，防止系统“死机”。算法模块对采集的数据进行处理，计算出流速和相关系数等信息。人机接口模块用于液晶刷新、显示切换及参数修改等。中断模块包括A/D采样中断模块、定时器0中断模块和RS485通讯中断模块，其中，A/D采样中断模块在A/D芯片完成数据转换之后读取数字信号并进行保存；定时器0中断模块使用定时器0进行定时，在定时器0中断模块中主要完成4～20mA电流输出和脉冲输出；RS485通讯模块实现二次仪表与PC上位机之间的通讯。

图7是二次仪表的主监控程序流程图。(1)系统上电后，TMS320F28335DSP完成各种初始化工作，包括系统初始化、看门狗配置、GPIO初始化、中断向量表初始化、仪表参数初始化等，然后，开启定时器以及A/D采样模块。(2)每一次A/D转换完成，将数字信号通过多通道缓冲串口McBSP传输到TMS320F28335DSP，实时存储到外扩SRAM中的数据缓冲数组中，并对采集到的信号进行预处理。(3)将CPU定时器0的定时时间设置为20ms。在定时器0中断模块中，为了保证信号采集中断的正确执行，先开中断嵌套；然后，查询数据长度是否等于指定的数据长度。若完成，则进行算法处理，得到流量和相关系数等信息；同时，完成4～20mA电流输出和脉冲输出；最后，进入按键扫描程序，查询按键是否被按下。(4)将测量得到的结果通过液晶显示出来，并判断是否有按键标志位置位。若有，则执行相应的按键操作子程序。重复(2)～(4)的过程，对流量进行实时测量和监测蒸汽发生器是否发生泄漏。

图8是基于相关系数计算方法的信号处理流程图。(1)判断A/D采集的数据S的长度是否达到2048点。若长度刚好等于2048点，就调用FFT函数对保存的2048点数据进行快速傅里叶变换。(2)搜索频域中最大幅值点所对应的频率，并由此计算出液态金属钠的流速。(3)根据信号频率信息，计算求相关系数需要使用的数据长度L。(4)取相邻最新两个长度为L的数据Seg1和Seg2，即Seg1＝S(2049-L:2048),Seg2＝S(2049-2*L:2048-L),计算出Seg1和Seg2的相关系数ρ，计算公式为 其中，COV(Seg1,Seg2)是数据Seg1和Seg2的协方差，D(Seg1)是数据Seg1的方差，D(Seg2)是数据Seg2的方差。(5)判断计算出的相关系数是否小于设定的阈值；若小于，且连续计算出的5个相关系数都小于设定的阈值，则可以判断蒸汽发生器发生了泄漏，输出报警信号。所谓的阈值是通过实验的方法得出的用于判断蒸汽发生器是否发生泄漏的一个参考值。(6)若计算出的相关系数不小于设定的阈值，就说明蒸汽发生器没有发生泄漏，等待A/D采集数据，准备下一次的计算。(7)当A/D采集数据更新了100点，取上次参加运算的2048点中的后1948点和更新的100个点重新组成2048点，调用FFT函数对保存的2048点数据进行快速傅里叶变换。重复过程(2)～(7)。

Claims (6)

1.一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器，其特征在于：由一次仪表和二次仪表组成，既能监测蒸汽发生器内部是否发生泄漏，又能测量所在管道的钠流量；

所述一次仪表的结构组成示意图，主要由漩涡发生体、磁钢、金属管道和电极组成。漩涡发生体的形状采用普通涡街流量计所用的梯柱体型结构，处于磁场上游，位于磁场之外。由于液态金属钠温度高、化学性质活泼且大多数应用领域处于高辐射环境，所以，一次仪表的管道部分采用金属材料；磁钢主要由永磁体和磁轭组成，其中，永磁体为一次仪表提供稳定的磁场；磁轭起固定作用，同时，还可以减少漏磁；电极分为参考电极和工作电极，其中，参考电极位于漩涡发生体上游的磁场外，是一次仪表输出信号的参考点；工作电极位于磁场内，与参考电极配合工作，输出沿管道方向运动的漩涡切割磁场时产生的近似正弦波信号；电极的轴线、液态金属钠的流向和磁场方向两两垂直；漩涡发生体的轴线与磁场方向平行；

所述二次仪表主要由信号调理采集模块和数字信号处理与控制模块组成，对一次仪表输出信号中的交流信号进行放大、滤波和转换，并采用计算相关系数的信号处理方法，识别出流动的液态金属钠中是否含有气泡。

2.如权利要求1所述的一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器，其特征在于：所述的信号调理采集模块主要由隔离放大电路、第一级交流放大电路、八阶低通滤波电路、第二级交流放大电路、去直流电路、A/D(模/数转换)采样电路和无源晶振电路模块组成，对一次仪表输出的信号进行放大、滤波、模/数转换和数据传输；隔离放大电路减小接地环路耦合的噪声；第一级交流放大电路和第二级交流放大电路仅放大前级电路输出信号中的交流成分；八阶低通滤波电路衰减高频噪声，保留有用的近似正弦波信号。

3.如权利要求1所述的一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器，其特征在于：数字信号处理与控制模块主要由主控芯片TMS320F28335、外扩静态随机存储器(SRAM)、铁电存储器、电源掉电监测、人机接口、RS485电路、脉冲输出电路和4～20mA输出电路等电路模块组成；为了能实时对数据进行处理，选用高速的数字信号处理器(DSP)作为主控芯片；由于DSP一次处理的数据长度非常大，因此，需要外扩SRAM存储更多的数据和变量；铁电存储器是在发生意外掉电时对重要的数据信息进行存储，并在重新上电时恢复重要的数据信息；人机接口主要包括液晶和按键，其中，液晶显示处理结果，并与按键配合进行参数设置；RS485电路可以把采集的数据发送至上位机，使工作人员在调试时可以清楚地看到信号波形，方便信号的保存；脉冲输出电路和4～20mA电流输出电路可以传送流量信号。

4.如权利要求1所述的一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器，其特征在于：软件设计采用模块化的设计方案，将完成特定功能的程序封装成一个个功能模块，便于系统的设计和维护；根据模块化的设计思想，二次仪表的主要软件模块有：主监控程序、初始化模块、看门狗模块、算法模块、人机接口模块、中断模块；主监控程序统一调用和协调各个模块，使二次仪表的软件系统实现正常有序的工作；初始化模块包括DSP系统初始化、GPIO初始化、外设初始化和算法初始化；初始化模块对DSP芯片及其GPIO和片内外设进行配置，并初始化程序中用到的参数变量；看门狗模块对主监控程序进行监控，防止系统“死机”；算法模块对采集的数据进行处理，计算出流速和相关系数等信息；人机接口模块用于液晶刷新、显示切换及参数修改等；中断模块包括A/D采样中断模块、定时器0中断模块和RS485通讯中断模块，其中，A/D采样中断模块在A/D芯片完成数据转换之后读取数字信号并进行保存；定时器0中断模块使用定时器0进行定时，在定时器0中断模块中主要完成4～20mA电流输出和脉冲输出；RS485通讯模块实现二次仪表与PC上位机之间的通讯。

5.如权利要求1所述的一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器，其特征在于：(1)系统上电后，TMS320F28335DSP完成各种初始化工作，包括系统初始化、看门狗配置、GPIO初始化、中断向量表初始化、仪表参数初始化等，然后，开启定时器以及A/D采样模块；(2)每一次A/D转换完成，将数字信号通过多通道缓冲串口McBSP传输到TMS320F28335DSP，实时存储到外扩SRAM中的数据缓冲数组中，并对采集到的信号进行预处理；(3)将CPU定时器0的定时时间设置为20ms；在定时器0中断模块中，为了保证信号采集中断的正确执行，先开中断嵌套；然后，查询数据长度是否等于指定的数据长度；若完成，则进行算法处理，得到流量和相关系数等信息；同时，完成4～20mA电流输出和脉冲输出；最后，进入按键扫描程序，查询按键是否被按下；(4)将测量得到的结果通过液晶显示出来，并判断是否有按键标志位置位；若有，则执行相应的按键操作子程序；重复(2)～(4)的过程，对流量进行实时测量和监测蒸汽发生器是否发生泄漏。

6.如权利要求1所述的一种基于相关系数计算的钠中气泡噪声探测器，其特征在于：基于噪比计算的信号处理方法的流程为：(1)判断A/D采集的数据S的长度是否达到2048点；若长度刚好等于2048点，就调用FFT函数对保存的2048点数据进行快速傅里叶变换；(2)搜索频域中最大幅值点所对应的频率，并由此计算出液态金属钠的流速；(3)根据信号频率信息，计算求相关系数需要使用的数据长度L；(4)取相邻最新两个长度为L的数据Seg1和Seg2，即Seg1＝S(2049-L:2048),Seg2＝S(2049-2*L:2048-L),计算出Seg1和Seg2的相关系数ρ，计算公式为其中，COV(Seg1,Seg2)是数据Seg1和Seg2的协方差，D(Seg1)是数据Seg1的方差，D(Seg2)是数据Seg2的方差；(5)判断计算出的相关系数是否小于设定的阈值；若小于，且连续计算出的5个相关系数都小于设定的阈值，则可以判断蒸汽发生器发生了泄漏，输出报警信号；所谓的阈值是通过实验的方法得出的用于判断蒸汽发生器是否发生泄漏的一个参考值；(6)若计算出的相关系数不小于设定的阈值，就说明蒸汽发生器没有发生泄漏，等待A/D采集数据，准备下一次的计算；(7)当A/D采集数据更新了100点，取上次参加运算的2048点中的后1948点和更新的100个点重新组成2048点，调用FFT函数对保存的2048点数据进行快速傅里叶变换；重复过程(2)～(7)。